Suprématie quantique : ce que Google a revendiqué en 2019 et pourquoi IBM a contesté

L'affirmation de Google tient à un seul chiffre : 200 secondes contre environ 10 000 ans. L'article a été publié sur NASA.gov et rapporté par Fortune le 20 septembre 2019. Les chercheurs de l'entreprise écrivent que leur processeur met environ 200 secondes à échantillonner un million de fois une instance du circuit quantique. Un superordinateur de pointe aurait besoin d'environ 10 000 ans pour la tâche équivalente. Toute la notion de suprématie quantique repose sur cette comparaison : une machine quantique résout un problème qu'un ordinateur classique ne peut pas résoudre en un temps pratique.

La machine s'appelait Sycamore et comptait 53 qubits. Google avait auparavant conçu un appareil de 72 qubits nommé Bristlecone, avant de revoir ses ambitions à la baisse. Les chercheurs ont aussi estimé que la même expérience sur un serveur Google Cloud prendrait 50 000 000 000 000 heures, contre 30 secondes sur le processeur quantique.

Google n'a rien confirmé dans un premier temps. Un porte-parole a refusé de confirmer l'authenticité de l'article et de ses résultats, et la NASA n'a pas répondu immédiatement à une demande de commentaire. Une source chez Google proche du dossier a suggéré que la NASA avait publié l'article par erreur, trop tôt, avant que les affirmations de l'équipe ne passent par une évaluation scientifique par les pairs. Ce processus peut prendre de quelques semaines à plusieurs mois. Le Financial Times a été le premier à rapporter l'information.

Deux ans de préparation

Google visait cet objectif depuis au moins 2017. En avril de cette année-là, MIT Technology Review rapportait que John Martinis, qui dirigeait le groupe de recherche de Google, ne se donnait que quelques mois pour atteindre un jalon de l'histoire de l'informatique. Martinis avait rejoint Google fin 2014, venant de l'Université de Californie à Santa Barbara, où il reste professeur. Son groupe d'environ 25 personnes avait construit une puce à six qubits disposée en configuration deux par trois. Cette puce testait une méthode de fabrication : les qubits et le câblage conventionnel qui les contrôle sont fabriqués sur des puces séparées, puis assemblés par bump bonding. L'approche vise à éliminer les lignes de contrôle supplémentaires susceptibles de perturber le fonctionnement des qubits.

« Ce processus fonctionne entièrement », déclarait Martinis à MIT Technology Review à l'époque. « Nous sommes maintenant prêts à accélérer. » Il indiquait que des conceptions d'appareils de 30 à 50 qubits étaient déjà en cours, et qu'il lui faudrait une grille de 49 qubits pour son expérience de suprématie quantique. En décembre 2017, à la conférence Q2B au NASA Ames, il mettait en garde contre une lecture du progrès en nombre de qubits. « Les communiqués parlent toujours de course quantique en nombre de qubits », rapportait Gizmodo citant ses propos. « C'est plus qu'une question de quantité, c'est la qualité des qubits. » Gizmodo rapportait que Google fabriquait alors son appareil de 49 ou 50 qubits et commencerait les tests dans les deux semaines.

D'autres entreprises avançaient sur le même terrain. IBM a annoncé en novembre 2017 que ses scientifiques avaient construit et mesuré un prototype de processeur à 50 qubits. Dario Gil, qui dirigeait la division de recherche d'IBM en informatique quantique et intelligence artificielle, a déclaré que c'était la première fois qu'une entreprise construisait un ordinateur quantique à cette échelle. Seth Lloyd, professeur de génie mécanique au MIT, non impliqué dans les recherches d'IBM, estimait qu'IBM avait probablement encore des défauts à corriger, mais que l'annonce marquait un progrès significatif.

Quand l'article de Google est apparu, Dario Gil, devenu entre-temps directeur d'IBM Research, a contesté l'usage même de la suprématie quantique comme mesure. « L'expérience et le terme suprématie seront mal compris par presque tout le monde », a-t-il déclaré à Fortune. Il décrivait le travail comme une expérience de laboratoire très particulière, sans applications pratiques. « Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais en suprêmes sur les ordinateurs classiques, ils travailleront plutôt de concert avec eux, chacun ayant ses forces propres. »

Confirmé dans Nature, et ce que cela ne signifiait pas

Le 23 octobre 2019, le blog de Google a confirmé que Nature avait publié le résultat dans son numéro du 150e anniversaire. Le blog décrit le calcul test comme prenant 200 secondes, répète que les meilleurs algorithmes connus sur les superordinateurs les plus puissants auraient besoin de milliers d'années, et le présente comme le moment « hello world » que le domaine attendait. Il indique aussi clairement qu'il reste un long chemin entre les expériences de laboratoire et les applications pratiques, et qu'il faudra de nombreuses années avant qu'un ensemble plus large d'applications concrètes puisse être mis en œuvre.

Les chercheurs de Google eux-mêmes avaient fait une remarque similaire dans l'article. « Nous ne sommes qu'à un algorithme créatif d'applications utiles à court terme », écrivaient-ils. Le blog mentionnait un effort de 13 ans : Hartmut Neven avait commencé à explorer l'informatique quantique pour l'apprentissage automatique en 2006, Martinis et son équipe de Santa Barbara l'avaient rejoint en 2014, et Sergio Boixo avait publié un article deux ans plus tard qui concentrait l'effort sur la tâche de calcul bien définie de la suprématie quantique.

Des chercheurs extérieurs séparaient déjà le jalon du marketing. Chris Monroe, professeur à l'Université du Maryland et cofondateur de la startup d'informatique quantique IonQ, expliquait en 2017 à MIT Technology Review ce que représenterait la réalisation de l'expérience : « Ce sera un jalon académique. Ensuite, il faudra encore comprendre comment le rendre plus évolutif et programmable. » Jim Clarke, directeur du matériel quantique chez Intel Labs, qualifiait la mise à jour de Google en 2019 de « borne remarquable » et affirmait qu'un ordinateur quantique commercialement viable exigerait d'abord de nombreuses avancées en R&D. « Alors que le développement n'en est qu'au premier kilomètre de ce marathon, nous croyons fermement au potentiel de cette technologie », disait-il.

Le qualificatif qui tend à se perdre est l'échelle. Les processeurs quantiques devraient être bien plus grands que 50 qubits pour pouvoir effectuer un travail utile, notait MIT Technology Review. L'expérience de suprématie était conçue pour être difficile pour une machine classique précisément parce qu'elle ne constitue pas un problème industriel utile. Elle échantillonnait des nombres générés aléatoirement via un scénario spécialisé impliquant des phénomènes quantiques, calculant la sortie de certains circuits spécialisés, plutôt que de résoudre quoi que ce soit dont une entreprise a besoin.

C'est pourquoi IBM continuait de pousser une autre référence. En mars 2019, rapportait ZDNET, IBM présentait son Quantum Volume le plus élevé à ce jour, une mesure de performance combinant le nombre de qubits, la connectivité, le temps de cohérence, les erreurs de porte et de mesure, la diaphonie de l'appareil et l'efficacité du compilateur logiciel de circuits. IBM indiquait que son Q System One, avec un processeur à 20 qubits, produisait un Quantum Volume de 16, le double de l'IBM Q actuel à 8. L'entreprise affirmait que le Quantum Volume devrait doubler chaque année pour atteindre l'avantage quantique, le point où les applications quantiques offrent des avantages significatifs sur les ordinateurs classiques, dans la prochaine décennie. IBM doublait la puissance de ses ordinateurs quantiques chaque année depuis 2017.

La présentation de ce moment par Google était plus grandiose. Le blog la comparait à la construction de la première fusée ayant quitté la gravité terrestre pour toucher le bord de l'espace, et aux questions qui ont suivi sur la raison d'y aller. « Cela nous a montré ce qui était possible et a fait entrer dans le cadre ce qui semblait impossible », disait-il. Les auteurs de l'article allaient plus loin, prédisant que la puissance de calcul quantique croîtrait à un rythme doublement exponentiel, surpassant même le rythme exponentiel qui définissait la loi de Moore.

La réserve liée à l'évaluation par les pairs n'a jamais totalement disparu de l'histoire, mais la publication dans Nature a tranché la question de savoir si le résultat serait formellement examiné. Ce qu'elle n'a pas tranché, c'est la dispute sur le mot. Le blog de Google qualifiait la suprématie quantique de terme technique au sens étroit. L'objection d'IBM était que ce sens étroit serait lu comme un sens large, et cette lecture a accompagné le domaine depuis.